Почему конструкции (микрофонных) предусилителей ограничивают усиление до 60 дБ?

Глядя на многие микрофонные предусилители профессионального качества записи, я заметил, что каждый проект, на котором я смотрел, который использует операционный усилитель (дискретный или IC), ограничивает усиление, обеспечиваемое операционным усилителем, до примерно 60 дБ. Хотя большинство предусилителей используют другую ступень (трансформатор (ы) или другой операционный усилитель), чтобы достичь 70 дБ или даже 80 дБ, мне интересно, почему они не просто используют первый операционный усилитель, чтобы туда попасть. Из того, что я понимаю, были бы некоторые преимущества:

• лучшее отношение сигнал / шум при увеличении усиления,
• более простой аудио путь,
• меньше запчастей и стоимость.

Это как-то связано со стабильностью операционного усилителя более 60 дБ?

Вот типичная схема. R12 ограничивает усиление до 40,1 дБ. Я использую эти формулы:

Я также заметил, что микросхемы микрофонных предусилителей, изготовленные THAT-Corp, также имеют максимальный коэффициент усиления 60 дБ.

Продукт Gain / Bandwidth, вам нужна полоса пропускания 50 кГц при 60 дБ (в 1000 раз), поэтому вам нужно где-то около 50 МГц, продукт усиления / полосы пропускания (и многое другое уменьшит ВЧ искажения) ... Сделайте это 80 дБ, и теперь вам нужно 500 МГц GBP, что становится трудно, если вы хотите, чтобы низкий уровень шума был близок к постоянному току (и очень плохие новости стабилизируются при низком усилении).

Также учтите, что в шуме полностью преобладает шум для каскада, имеющего первые 20 или 30 дБ усиления (Сделайте математику), можно многое сказать о расщеплении, так что первые, возможно, 30 дБ усиления происходят при низкой ступень шума, разработанная для источников с низким Z и низким шумом 1 / F, которой сейчас требуется всего несколько МГц GBP, и которую будет легко стабилизировать даже при странном импедансе источника. Затем сделайте все остальное на второй стадии (где шум имеет меньшее значение и у вас есть известное полное сопротивление источника).

Другая трудная вещь заключается в том, что законы управления, которые имеют смысл, становятся все более и более хитрыми, если переходить к регулированию усиления с одной ручкой, классическому инструментальному каскаду с резистором настройки усиления, меняющимся от нескольких Ом до, может быть, нескольких кОм, что, если вы подумаете о это всего лишь 3 порядка, очень трудно сделать так, чтобы обратный логарифм имел больший диапазон, чем этот.

Существует вопрос GBW ( усиление пропускной способности продукта ), поэтому один этап маловероятен с хорошей производительностью. Недостаточно просто пропустить полосу пропускания, вам также понадобится достаточное усиление, чтобы уменьшить искажения и получить точное воспроизведение с ровным откликом (хотя, возможно, искажение на частоте более 10 кГц не важно для человеческого слуха). Конечно, у вас всегда может быть пара этапов с более разумным выигрышем. Помните, что полоса пропускания определяется точкой -3 дБ (выходной сигнал будет уменьшен до половины мощности на границе полосы пропускания), и это не совсем ровно по стандартам аудиофилов.

$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$

Поскольку источники очень низкого напряжения, такие как ленточные микрофоны, также имеют тенденцию к низкому сопротивлению, это хороший компромисс.

Существуют и другие методы получения чрезвычайно низких шумовых характеристик при использовании дискретных устройств, таких как несколько JFET, работающих при достаточно высоком токе стока. Это может уменьшить шум, в идеале на квадратный корень из числа JFET, но входная емкость пропорциональна количеству параллельных JFET, поэтому опять-таки плохой эффект увеличивается быстрее, чем улучшение.

Почему конструкции (микрофонов) предусилителей имеют тенденцию ограничивать усиление до 60 дБ?

Хорошая общая картина всего того, что производят микрофоны и другие аудиоустройства: -

Фото сделано отсюда .

Как можно видеть, студийный микрофон (в зависимости от типа) может выдавать диапазон выходных сигналов от -60 дБм (относительно 600 Ом, следовательно, 0 дБм = 0,775 В) до -20 дБм. Это для стандартного уровня входного давления 1 паскаль при 1 кГц.

Уровни линейного входа обычно составляют около 0 дБм, поэтому типичный микрофонный предусилитель будет иметь диапазон усиления от 20 до 60 дБ.

Многие схемы операционного усилителя спроектированы таким образом, чтобы они давали известное конечное усиление, если были построены с использованием идеальных компонентов, включая операционный усилитель с бесконечным усилением. На практике такие схемы всегда будут создаваться с неидеальными компонентами, и их поведение будет не совсем соответствовать тому, что могло бы быть результатом идеальных компонентов. Рассмотрим очень простой усилитель:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

При использовании идеальных компонентов коэффициент усиления будет (R1 + R2) / R2; Я назову это «номинальной прибылью». В реальной схеме, если операционный усилитель имеет постоянное усиление без обратной связи, усиление будет 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Если коэффициент усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя намного больше, чем (R1 + R2) / R2, то 1 / opAmpGain будет очень маленьким по сравнению с R2 / (R1 + R2), и его точное значение не будет иметь значения много. Кроме того, даже если усиление в разомкнутом контуре может изменяться из-за таких факторов, как частота или, что еще хуже, входное напряжение, максимальное и минимальное усиление в цепи будет относительно близким. Например, если усиление в разомкнутом контуре может варьироваться от 500х до 1000000Х, чистое усиление схемы будет колебаться от 9,8х до 10х. Больше вариаций, чем может быть идеально для некоторых целей, но все же довольно мало.

Если бы R1 был изменен на 99K (изменение номинального усиления с 10x до 100x), то чувствительность схемы к фактическому усилению операционного усилителя была бы увеличена более чем в десять раз. Такое же изменение в действительном усилении операционного усилителя приведет к тому, что чистое усиление схемы будет колебаться в диапазоне примерно от 83x до 100x - гораздо большее изменение. Если вместо этого можно каскадировать схему, показанную ниже (для усиления 10x) со второй копией, результирующая схема будет иметь усиление, которое может варьироваться от 96x до 100x. Большая степень относительной неопределенности, чем при использовании одной копии этой схемы, но намного меньше, чем при попытке добиться 100-кратного усиления за одну стадию.

Усиление 60 дБ повлечет за собой увеличение напряжения 1000: 1. Хотя один операционный усилитель с достаточно высоким коэффициентом усиления в разомкнутом контуре для обеспечения номинального усиления 1000: 1 на звуковых частотах может быть дешевле, чем два операционных усилителя со слегка уступающими характеристиками, операционные усилители, которые будут хорошо работать при таких высоких коэффициентах усиления, склонны к быть намного дороже При некотором уровне усиления использование двух более дешевых усилителей будет более практичным, чем использование одного усилителя, который имеет достаточное качество, чтобы хорошо работать при более высоком усилении.

60 дБ означает, что 1 мВ от микрофона становится 1 В на выходе. Это максимум того, что вы хотите усилить микрофоном и подать на вход «линейного уровня». Большинство микрофонов выдают несколько мВ для нормального уровня звука.

В дополнение к другим отличным ответам о продукте полосы пропускания есть еще одна проблема. При слишком большом усилении входной операционный усилитель может насыщаться из-за входного напряжения смещения. Многие микшерные платы используют операционный усилитель 5532 для первой ступени усиления. Он имеет типовое напряжение смещения 0,5 мВ, но может превышать 5 мВ от температуры. При усилении 60 дБ входное смещение 5 мВ становится 5 В смещения постоянного тока на выходе. 5532 также имеет типичный продукт с полосой усиления 10 МГц, поэтому при усилении 60 дБ полоса пропускания составляет не более 10 кГц.

Когда есть много усиления, там также, как правило, много шума. После предусилителя я предпочитаю использовать активный фильтр нижних частот, чтобы получить больше усиления, а также отфильтровать часть высокочастотного выходного шума предусилителя. Я использую операционный усилитель OPA2134, о котором я узнал благодаря хорошей рекомендации по разработке активных фильтров в Linkwitz Lab . Если максимальная частота не будет низкой, я бы использовал усиление менее 60 дБ за одну ступень. Две ступени 40 дБ были бы лучше.